Karamö, le prof virtuelLeçon 11 sur 22
Les propriétés caractéristiques des métaux
Je sais décrire les propriétés physiques des métaux (éclat, conductivité, malléabilité, ductilité, magnétisme) et identifier un métal par sa masse volumique et sa température de fusion.
- 50 min
- 5 exercices corrigés
- 2 schémas
- QCM de 5 questions
À la fin de la leçon, tu sauras :
- Décrire les propriétés physiques communes aux métaux et leurs utilisations
- Mesurer la masse volumique d'un métal par pesée et déplacement d'eau
- Identifier un métal grâce à sa masse volumique et à sa température de fusion
- Expliquer le choix d'un métal pour un usage donné
Avant de commencer : Notions pratiques sur les métaux ; la masse volumique et la mesure de volume avec une éprouvette graduée (8e) ; les conversions (1 mL = 1 cm³).
1Je découvre
À Siguiri, Mariama accompagne sa tante au marché de l'or. Un vendeur propose un bracelet « en or pur » à un prix intéressant. La tante hésite : « Comment savoir si c'est vraiment de l'or, et pas un autre métal jaune recouvert d'une fine couche dorée ? »
Un bijoutier du marché pèse le bracelet, puis le plonge dans un petit récipient gradué rempli d'eau. Il fait un rapide calcul et donne sa réponse sans même rayer le bijou.
Le soir, Mariama repense à d'autres questions : pourquoi les fils électriques sont-ils en cuivre ? Pourquoi les marmites sont-elles en aluminium avec des poignées en bois ou en plastique ? Pourquoi le forgeron peut-il aplatir une barre de fer rouge en tôle sans la casser ?
Chaque métal a des propriétés qui permettent de le reconnaître et de choisir le bon métal pour chaque usage.
Quelles sont les propriétés caractéristiques des métaux, et comment s'en servir pour identifier un métal ?
2Je comprends
1. Les propriétés communes aux métaux
Presque tous les métaux partagent les propriétés physiques suivantes.
| Propriété | Définition | Exemple d'utilisation |
|---|---|---|
| Éclat métallique | Une surface propre et polie réfléchit fortement la lumière | bijoux, miroirs, objets décoratifs |
| Conductivité électrique | Le métal laisse passer le courant | fils électriques en cuivre, câbles en aluminium |
| Conductivité thermique | Le métal transmet bien la chaleur | marmites, casseroles, radiateurs |
| Malléabilité | On peut l'aplatir en feuilles (marteau, laminoir) sans le casser | tôles de toiture, feuilles d'aluminium, feuilles d'or |
| Ductilité | On peut l'étirer en fils fins | fils de cuivre, fils de fer, grillages |
| Ténacité | Il résiste aux chocs et à la traction sans se rompre | fer à béton, câbles d'acier |
Les meilleurs conducteurs électriques sont, dans l'ordre : l'argent, le cuivre, l'or, puis l'aluminium. Le cuivre est le plus utilisé pour les fils car il conduit très bien et coûte beaucoup moins cher que l'argent.
Une marmite en aluminium chauffe vite et uniformément grâce à la conductivité thermique du métal. Mais le métal transmet aussi la chaleur jusqu'aux poignées : c'est pourquoi on les fait en bois ou en plastique, qui sont des isolants thermiques.
- Éclat métallique
- Bons conducteurs électriques et thermiques
- Malléables et ductiles
- Aspect terne en général
- Mauvais conducteurs (sauf le graphite)
- Cassants, se brisent sous le marteau
2. Le magnétisme
Seuls quelques métaux sont attirés par un aimant : le fer (et l'acier), le nickel et le cobalt. Cette propriété permet de trier rapidement les métaux ferreux.
3. La masse volumique : une carte d'identité
La masse volumique ρ (lettre grecque « rho ») d'un corps est la masse d'une unité de volume de ce corps :
ρ = mV avec m en g, V en cm³ et ρ en g/cm³ (ou m en kg, V en m³, ρ en kg/m³ ; 1 g/cm³ = 1 000 kg/m³).
Chaque métal pur a une masse volumique qui lui est propre : c'est une grandeur caractéristique. Elle permet de l'identifier.
On utilise aussi la densité d'un solide par rapport à l'eau : d = ρmétalρeau. Comme ρeau = 1 g/cm³, la densité a la même valeur que la masse volumique en g/cm³, mais sans unité. Exemple : la densité du fer est 7,9.
4. Mesurer la masse volumique d'un métal
Méthode
Pour déterminer la masse volumique d'un objet métallique :
- Je mesure sa masse m avec une balance (en g).
- Je verse de l'eau dans une éprouvette graduée et je lis le volume V₁ (en mL).
- Je plonge doucement l'objet dans l'eau et je lis le nouveau volume V₂.
- Le volume de l'objet est V = V₂ − V₁ (en mL, soit en cm³).
- Je calcule ρ = m ÷ V et je compare avec le tableau des masses volumiques.
Exemple
Un morceau de métal rouge orangé a une masse de 35,6 g. Dans une éprouvette, l'eau passe de 50 mL à 54 mL quand on l'y plonge. Quel est ce métal ?
- Volume : V = 54 − 50 = 4 mL = 4 cm³.
- Masse volumique : ρ = 35,6 ÷ 4 = 8,9 g/cm³.
- Dans le tableau, 8,9 g/cm³ correspond au cuivre. Sa couleur rouge orangé le confirme.
Exemple
Le bijoutier de Siguiri pèse le bracelet : 38,6 g. L'eau de son récipient gradué monte de 20,0 mL à 22,0 mL. Le bracelet est-il en or ?
- Volume du bracelet : V = 22,0 − 20,0 = 2,0 cm³.
- Masse volumique : ρ = 38,6 ÷ 2,0 = 19,3 g/cm³.
- C'est la masse volumique de l'or : le bracelet est bien en or.
Si l'eau était montée de 4,5 mL, on aurait trouvé ρ = 38,6 ÷ 4,5 ≈ 8,6 g/cm³ : ce ne serait pas de l'or pur.
On peut aussi utiliser la relation dans l'autre sens : m = ρ × V. Par exemple, un lingot d'aluminium de 1 000 cm³ a une masse de 2,7 × 1 000 = 2 700 g, soit 2,7 kg, alors qu'un lingot d'or de même volume pèse 19,3 × 1 000 = 19 300 g, soit 19,3 kg.
5. La température de fusion
Quand on chauffe un métal pur, il fond à une température fixe : sa température de fusion. C'est aussi une grandeur caractéristique.
| Métal | Mercure | Étain | Plomb | Zinc | Aluminium | Argent | Or | Cuivre | Fer |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Fusion (°C) | −39 | 232 | 327 | 420 | 660 | 962 | 1 064 | 1 085 | 1 538 |
- Le mercure fond à −39 °C : à la température ambiante, il est donc liquide.
- L'étain fond facilement : on l'utilise pour la soudure des fils en électronique.
- L'aluminium fond à 660 °C : des artisans refondent de l'aluminium de récupération dans des fours à charbon pour couler des marmites.
- Le fer fond à 1 538 °C : il faut un four industriel très puissant. Le forgeron, lui, ne fait pas fondre le fer : il le chauffe au rouge pour le rendre plus facile à marteler.
6. Choisir le bon métal
Pour choisir un métal, on combine ses propriétés, son prix et sa résistance à l'air et à l'eau :
- fils électriques : cuivre (très bon conducteur, ductile) ;
- câbles des lignes à haute tension : aluminium (bon conducteur et léger) ;
- marmites : aluminium (bon conducteur thermique, léger, ne rouille pas) ;
- charpentes, fer à béton : acier (très tenace, pas cher) ;
- bijoux : or, argent (éclat durable, ne s'altèrent presque pas).
3Je retiens
Je retiens
Propriétés communes des métaux : éclat métallique, bonne conductivité électrique et thermique, malléabilité (feuilles), ductilité (fils), ténacité.
Meilleurs conducteurs électriques : argent, cuivre, or, aluminium.
Fer, nickel et cobalt sont attirés par un aimant.
Masse volumique : ρ = m ÷ V (g/cm³) ; elle permet d'identifier un métal (Al : 2,7 ; Fe : 7,9 ; Cu : 8,9 ; Au : 19,3).
Volume d'un objet : méthode du déplacement d'eau, V = V₂ − V₁ (1 mL = 1 cm³).
La température de fusion est aussi caractéristique (Al : 660 °C ; Fe : 1 538 °C ; Hg : −39 °C).
4Erreurs fréquentes
- Oublier de soustraire le volume initial de l'eau : le volume de l'objet est V₂ − V₁, pas V₂.
- Confondre malléabilité (aplatir en feuilles) et ductilité (étirer en fils).
- Croire qu'un objet lourd est forcément « dense » : il faut comparer la masse au volume, c'est-à-dire calculer ρ.
- Mélanger les unités : ρ en g/cm³ demande m en g et V en cm³ ; 7,9 g/cm³ = 7 900 kg/m³.
5Je m’exerce
1Exercice 1
Associe chaque propriété à son utilisation :
a) conductivité électrique ; b) conductivité thermique ; c) malléabilité ; d) ductilité.
(A) On fabrique des tôles de toiture. (B) On fabrique des fils de grillage. (C) On fabrique des marmites. (D) On fabrique des câbles électriques.
Voir le corrigéCacher le corrigé
a) → (D) câbles électriques ; b) → (C) marmites ; c) → (A) tôles de toiture ; d) → (B) fils de grillage.
2Exercice 2
Un objet gris a une masse de 79 g. Dans une éprouvette, l'eau passe de 60 mL à 70 mL quand on le plonge.
a) Calcule sa masse volumique.
b) Identifie le métal. Quel test simple permet de confirmer ta réponse ?
Voir le corrigéCacher le corrigé
a) V = 70 - 60 = 10 cm³ ; ρ = 7910 = 7,9 g/cm³.
b) C'est la masse volumique du fer. Pour confirmer, on approche un aimant : le fer est attiré.
3Exercice 3
Un bloc d'aluminium a la forme d'un pavé de 5 cm × 4 cm × 2 cm.
a) Calcule son volume.
b) Calcule sa masse (ρ = 2,7 g/cm³).
c) Quelle serait la masse d'un bloc de plomb de même volume (ρ = 11,3 g/cm³) ?
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a) V = 5 × 4 × 2 = 40 cm³.
b) m = ρ × V = 2,7 × 40 = 108 g.
c) m = 11,3 × 40 = 452 g.
4Exercice 4
Explique :
a) pourquoi les fils électriques sont en cuivre plutôt qu'en fer ;
b) pourquoi les poignées des marmites sont en bois ou en plastique ;
c) pourquoi on utilise l'étain pour souder les fils, et pas le fer.
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a) Le cuivre est un bien meilleur conducteur électrique que le fer, il est très ductile (facile à étirer en fils) et ne rouille pas.
b) Le métal conduit bien la chaleur : des poignées en métal deviendraient brûlantes. Le bois et le plastique sont des isolants thermiques, on peut les tenir sans se brûler.
c) L'étain fond à une température basse (232 °C) : on le fait fondre facilement avec un fer à souder. Le fer fond à 1 538 °C, bien trop haut pour souder des fils.
5Exercice 5
(Type examen) Ousmane trouve une petite statuette métallique jaune. Il veut savoir si elle est en or.
Données (g/cm³) : or 19,3 ; cuivre 8,9 ; laiton (alliage de cuivre et de zinc, jaune) environ 8,5.
a) Décris le protocole pour mesurer sa masse volumique.
b) La statuette a une masse de 170 g ; l'eau de l'éprouvette passe de 100 mL à 120 mL. Calcule sa masse volumique.
c) La statuette est-elle en or ? En quel matériau est-elle probablement ?
d) Quelle serait la masse d'une statuette en or pur de même volume ?
e) Cite deux autres propriétés communes à tous ces métaux.
Voir le corrigéCacher le corrigé
a) On pèse la statuette avec une balance (masse m). On verse de l'eau dans une éprouvette graduée et on lit le volume V1. On y plonge la statuette et on lit V2. Le volume de la statuette est V = V2 - V1. On calcule ρ = mV.
b) V = 120 - 100 = 20 cm³ ; ρ = 17020 = 8,5 g/cm³.
c) Non : l'or a une masse volumique de 19,3 g/cm³. La valeur 8,5 g/cm³ et la couleur jaune correspondent au laiton.
d) m = 19,3 × 20 = 386 g.
e) Par exemple : l'éclat métallique et la conductivité électrique (ou thermique, ou la malléabilité, ou la ductilité).
Cherche d’abord seul, sur ton cahier, puis ouvre le corrigé pour comparer.
6Je vérifie
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